行业标准JB/T6430比功率规定值取值合理性研究
谭强1 谭涛2
（1.红五环集团股份有限公司,浙江衢州,324000；2.西华师范大学计算机学院,四川南充,637000）
摘要：将标准JB/T6430-2002规定的比功率值绘制成曲线，将水冷比功率深化到绝热效率进行分析，将风冷比功率与水冷比功率进行对比分析，提出标准规定值取值的不合理内容，目的在于实现标准取值的更合理化。
关键词：螺杆空压机；比功率；能效水平；合理取值；绝热效率
1 引言
行业标准JB/T6430-2002《一般用喷油螺杆空气压缩机》是喷油螺杆空气压缩机（下称螺杆空压机）的产品标准，在产品的研发、推广、使用过程中起着至关重要的作用。标准中的一个重要内容就是规定了螺杆空压机的比功率值，这个规定值是一个强制性的参数指标，是获得螺杆空压机“生产许可证”的必要条件之一。标准中规定的比功率是螺杆空压机主机的最高能耗限定值，值的大小就代表着能耗水平的高低。这个规定值不仅体现了现阶段螺杆空压机的理论研究成果、制造水平在行业管理准则中的妥善应用，又可以恰当地引导螺杆空压机行业健康地发展，使进入市场销售的螺杆空压机的能效水平处于一个合理的范围，促进螺杆空压机向节能产品方向发展。本文就标准中的比功率取值的合理性进行分析，提出比功率取值需要改进的相关内容和要点，以期实现比功率取值的更合理化。切实可行的合理的参数的最终确定，仍需行业专家更深入、更广泛的研究而非本文的内容。
2行业标准JB/T6430比功率的取值概述
2.1 比功率定义、标准工况及测试标准
在一定的工况条件下和一定的排气压力时，单位实际容积流量所消耗的功率即为压缩机的比功率。压缩机主机的轴功率与压缩机主机的实际容积流量的比值为主机比功率。JB/T6430规定的水冷比功率就是螺杆机的主机比功率（下文中，螺杆机主机比功率与JB/T6430的水冷比功率等同）。标准中风冷比功率包括了空压机冷却用风扇功率值，即是在同功率级别的水冷比功率的基础上，加上了冷却风扇耗功折算成的比功率增加量。
同一机组在不同的工况条件下（吸气压力、吸气温度、相对湿度等）比功率的值是不同的。为使同一功率级别的螺杆空压机的比功率具有可比性，JB/T6430规定了螺杆空压机的标准工况，即：
吸气压力： 0.1 MPa（绝对压力）；
吸气温度： 20℃ ；
吸气相对湿度：0% 。
为满足空气动力行业所用压缩空气的压力要求，标准规定了四个排气压力，即0.7MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.25MPa。
比功率的测试按标准GB/T3853（ISO1217）的规定进行。
2.2 螺杆空压机功率段编号的设定
螺杆空压机功率不同，标准规定的比功率值是不同的。为了更方便地说明问题，按JB/T6430的功率段划分，设定功率段的编号，见表1。
表1螺杆空压机功率段编号表
|
序号
|
功率段
|
段编号
|
说 明
|
|
1
|
2.2kW-5.5kW
|
0
|
只规定了风冷比功率
|
|
2
|
7.5kW-11kW
|
1
|
规定了风冷和水冷比功率
|
|
3
|
15kW-18.5kW
|
2
|
规定了风冷和水冷比功率
|
|
4
|
22kW-45kW
|
3
|
规定了风冷和水冷比功率
|
|
5
|
55kW-90kW
|
4
|
规定了风冷和水冷比功率
|
|
6
|
110kW-160kW
|
5
|
规定了风冷和水冷比功率
|
|
7
|
200kW-315kW
|
6
|
规定了风冷和水冷比功率
|
|
8
|
355kW-630kW
|
7
|
只规了定水冷比功率
|
2.3 螺杆空压机比功率曲线图
以螺杆空压机功率段编号为横坐标，JB/T6430-2002规定的比功率为纵坐标，作出排气压力为0.7MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.25MPa的水冷和风冷比功率的曲线图，用于体现在不同功率级下的比功率取值的变化趋势，如图1所示。其中：
A3-0.7W：排气压力为0.7MPa、水冷比功率曲线；
A3-0.7A：排气压力为0.7MPa、风冷比功率曲线；
A3-0.8W：排气压力为0.8MPa、水冷比功率曲线；
A3-0.8A：排气压力为0.8MPa、风冷比功率曲线；
A3-1.0W：排气压力为1.0MPa、水冷比功率曲线；
A3-1.0A：排气压力为1.0MPa、风冷比功率曲线；
A3-1.25W：排气压力为1.25MPa、水冷比功率曲线；
A3-1.25A：排气压力为1.25MPa、风冷比功率曲线。
图1
分析图1，可以得出如下结论：
（1）排气压力越高，比功率值越大。
（2）最小功率级（对应小容积流量）、最高排气压力时比功率最高；最大功率级（对应大容积流量）、最低排气压力时比功率最低。
（3）在同一排气压力下，随着功率级增加（功率增加，容积流量也增加），标准中规定的螺杆机的比功率取值呈减少趋势。
（4）在各规定排气压力下，图1中的各曲线具有较好的一致性。
（5）从图1还可以看出，曲线A3-1.0A 、曲线A3-1.0W基本上是一条直线；而其余四条曲线则存在轻微的波浪状，尤以A3-0.7W、A3-0.7A最明显。
仅从图1的曲线看，可以认为JB/T6430-2002规定的螺杆空压机的比功率值是合理的。但是比功率仅仅是一个直观的参数，只有在相同的进气条件和排气压力时才有可比性；在吸气条件相同而排气压力不同时，比功率值没有可比性。
要进一步说明问题，就需要对反映压缩机能量利用完善程度的可比参数——绝热效率进行分析。
JB/T6430的水冷比功率的定义表明，水冷却型螺杆空压机的比功率直接体现螺杆空压机主机性能，其值只与螺杆机主机结构和工况条件有关；与外围条件如中间冷却耗功、电动机效率、传动效率、控制系统耗功等无关，因此水冷比功率取值可以与绝热效率建立直接的关系，下面就此进行进一步的分析。
3JB/T6430螺杆空压机水冷比功率规定值的绝热效率分析
压缩机主机的等熵绝热压缩功率按下式计算：
(1) 其中： Nad0：等熵绝热压缩功率（kW）
Pa：压缩机吸气压力（MPa）
Va：压缩机实际容积流量（m3/min）
Pa：压缩机吸气压力（MPa）
κ：空气的绝热指数
压缩机主机的轴功率：
引入等熵绝热压缩比功率（Nrad）的概念，即当螺杆空压机的绝热效率等于1时的主机比功率，因此由式（3）得到：
在标准吸气状态，排气压力分别为0.7MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.25MPa，按式（4）和式（6）分别计算出等熵绝热压缩比功率、和JB/T6430规定水冷比功率值（Nr0w）对应的绝热效率，列入表2。
表2等熵绝热压缩比功率和绝热效率分析表
|
螺杆空压机
功率段
|
等熵绝热压缩比功率
|
绝热效率
|
|||||||
|
功率段
|
段编号
|
Nrad
|
ηad
|
||||||
|
kW/m3/min
|
%
|
||||||||
|
0.7MPa
|
0.8MPa
|
1.0MPa
|
1.25MPa
|
0.7MPa
|
0.8MPa
|
1.0MPa
|
1.25MPa
|
||
|
2.2-5.5kW
|
0
|
无
|
无
|
无
|
无
|
无
|
无
|
无
|
无
|
|
7.5-11kW
|
1
|
4.733
|
5.095
|
5.740
|
6.437
|
65.7
|
66.2
|
66.7
|
66.4
|
|
15-18.5kW
|
2
|
4.733
|
5.095
|
5.740
|
6.437
|
69.6
|
69.8
|
68.3
|
67.8
|
|
22-45kW
|
3
|
4.733
|
5.095
|
5.740
|
6.437
|
71.7
|
71.8
|
70.0
|
70.0
|
|
55-90kW
|
4
|
4.733
|
5.095
|
5.740
|
6.437
|
74.0
|
73.8
|
71.8
|
72.3
|
|
110-160kW
|
5
|
4.733
|
5.095
|
5.740
|
6.437
|
76.3
|
76.0
|
73.6
|
74.0
|
|
200-315kW
|
6
|
4.733
|
5.095
|
5.740
|
6.437
|
81.6
|
79.6
|
75.5
|
76.6
|
|
355-630kW
|
7
|
4.733
|
5.095
|
5.740
|
6.437
|
86.1
|
83.5
|
78.6
|
79.5
|
|
平均值
|
|
4.733
|
5.095
|
5.740
|
6.437
|
75.0
|
74.4
|
72.1
|
72.4
|
从表2中可以看出：
（1）排气压力0.7MPa时，随着功率级增加，绝热效率由65.7%增加到86.1%，增幅20.4%。
（2）排气压力0.8MPa时，随着功率级增加，绝热效率由66.2%增加到83.5%，增幅17.3%。
（3）排气压力1.0MPa时，随着功率级增加，绝热效率由66.7%增加到78.6%，增幅11.9%。
（4）排气压力1.25MPa时，随着功率级增加，绝热效率由66.4%增加到79.5%，增幅13.1%。
绝热效率增幅存在较大的差异，以排气压为0.7MPa时的增幅为最大，以排气压为1.0MPa时的增幅为最小。这个增幅差异值的取值与压力增加没有形成对应关系。
如果认为排气压力越高，绝热效率越低，那么排气压力为1.25MPa时的绝热效率就应该最低，表2中显示，排气压力为1.0MPa时的绝热效率平均值最低。
表2中的数据显示，标准中的水冷比功率规定值取值忽略了螺杆空压机的绝热效率的变化趋势和规律。
为了更直观地看出绝热效率的变化趋势，以压缩机功率段为横坐标，表2中的绝热效率为纵坐标，作出排气压力为0.7MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.25MPa的绝热效率曲线图，用于体现在不同功率级下的绝热效率的变化趋势，如图2所示。其中：
ηad -0.7：排气压力0.7MPa的绝热效率曲线；
ηad-0.8：排气压力0.8MPa的绝热效率曲线；
ηad -1.0：排气压力1.0MPa的绝热效率曲线；
ηad -1.25：排气压力1.25MPa的绝热效率曲线。
从图2中看出，规定压力条件下的绝热效率曲线有如下特点；而从文章后面的进一步分析中可以得出，这些特点正是需要进一步改进的不合理之处：
（1）随着功率级的增加，绝热效率呈增加趋势，但增加的趋势并不一致。在功率段1（7.5-11kW）右侧处四条曲线相互交叉；从功率段2（15-18.5kW）处开始，形成两簇曲线，ηad -0.7和ηad -0.8 为一簇；ηad -1.0 和ηad -1.25为另一簇。两簇曲线间有较大的绝热效率差异值。
（2）第一簇曲线ηad -0.7和曲线ηad -0.8在功率段3（22-45kW）和功率段4（55-90kW）之间相互交叉，绝热效率由交叉前的“高排压高效率”变为交叉后的“高排压低效率；并且曲线从功率段5（110-160kW）处陡然上升，到功率段7（355-630kW）处，绝热效率达到86.1%(排压0.7MPa)。对于单级螺杆空压机而言，绝热效率要求值达到86.1%是一个比较高的要求。同时正是由于在功率段5（110-160kW）处陡然上升，导致排气压力0.7MPa的绝热效率增幅最大（为20.4%）。
（3）第二簇曲线ηad -1.0和曲线ηad -1.25在功率段3（22-45kW）处相互交叉，绝热效率由交叉前的“高排压低效率”变为交叉后的“高排压高效率”。
理论上，在一定的转子型线和一定的转子直径系列等结构条件下，对螺杆空压机而言，总可以找到一个内容积比εv，实现在规定排气压力下的最高绝热效率ηad，此时可以理想地认为：
（1）在同一功率级下，四种排气压力（0.7MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.25MPa）的螺杆空压机的绝热效率很接近。
（2）在排气压力相同时，随着功率级由小向大方向变化（转子直径由小向大变化），螺杆机的绝热效率呈增加趋势。
（3）可以认为绝热效率差异值较小条件下的如下结论是成立的：
a低排气压力，对应绝热效率高值；高排气压力，对应绝热效率低值。
b小功率级（小容积流量），对应绝热效率低值；大功率级（大容积流量），对应绝热效率高值。
c 低排气压力和大功率级（大容积流量），对应绝热效率最高值；高排气压力和小功率级（小容积流量），对应绝热效率最低值。
按此条件形成的效率曲线不会有图2显示的变化趋势，因此，这就意味着标准规定的水冷比功率取值的变化趋势是不合理的。
要实现上述理想条件，将导致主机规格太多，现阶段是不可能实现的。或许将来在能源危机进一步加剧、螺杆转子制造水平得到根本性的突破时，才能够实现这种理想状态。
现阶段的情况是：根据气体动力行业所用压缩空气的压力要求，确定当前市场上用量最大的压力规格（例如四种排气压力中的0.8MPa），然后以此压力为基准点来设计螺杆机。显然在设计基准的一定范围内，由于螺杆机主机的压缩比（外压缩比）与内压缩比接近相等，螺杆机具有最高绝热效率。当压力较大地偏离这个范围时（无论是向大压力方向偏移或是向小压力方向偏移），螺杆机的绝热效率都将向小值方向偏移（即螺杆机性能向差的方向偏移）。
例如：
（1）内容积比εv=4.2-4.6时，则绝热内压缩比εp=7.5-8.5,对应一定功率级的、合理设计的螺杆机主机的绝热效率，可能在排气压力为0.8MPa附近为最高；在排气压力为0.7MPa和1.0Mpa时的绝热效率稍低但很接近；在排气压力为1.25MPa时，绝热效率有稍大的偏移值（向小值偏移）。
（2）内容积比εv=5.2时，则绝热内压缩比εp=10.0,对应一定功率级的、合理设计的螺杆机主机的绝热效率，可能在排气压力为1.0Mpa左右为最高；在排气压力为0.7MPa和1.25MPa时的绝热效率均变低了。
由此表明，在螺杆空压机的实际应用中，也不会出现图2描述的绝热效率曲线的变化趋势。
至此可以得出结论：标准规定的水冷比功率存在的不合理取值，导致了绝热效率的较大偏差，以至于出现与理论和实际均不相符的绝热效率的变化趋势。出现这种情况可能有如下原因：
（1） 忽略了绝热效率对比功率取值的影响。
（2） 忽略了不同压力下绝热效率的变化趋势和绝热效率与排气压力的内在联系。
绝热效率能反映螺杆空压机的能量利用的完善程度，具有可比性。在确定比功率的取值时，应先分析螺杆空压机的绝热效率，找出切实可行的绝热效率曲线，由此反向计算适合当前现状及未来一定时间段的螺杆空压机的比功率的规定值，这能更好地体现比功率规定值取值的合理性。
4 JB/T6430风冷比功率规定值取值分析
按JB/T6430的定义，风冷却螺杆空压机的比功率（Nr0a）与水冷却螺杆空压机的比功率（Nr0w）可以表示为如下关系式：
其中：Nr0f-风冷却增加的比功率（定义为：冷却单位容积流量的冷却风扇耗功）。
对于螺杆机系统，当主机比功率Nr0w增加时，由于需要由冷却风带走的热量增加了，所以风冷却增加的比功Nr0f是增加的。
式（7）可以改写为：
不考虑风机效率因素的影响，也不考虑压缩空气密度对换热效率的影响，可以认为α值近似为一个常数。
按JB/T6430-2002标准的规定值，按式（7）和式（9）计算出Nr0f和α，其值列入表3。为比较方便，同时将标准中规定的水冷比功率和风冷比功率列入了表3中。
表3：JB/T430风冷与水冷比功率的取值比较分析表
|
螺杆空压机
功率段
|
水冷比功率
|
风冷比功率
|
风冷比功率增加量
|
||||||
|
Nr0w
|
Nr0a
|
Nr0f
|
α
|
||||||
|
kW/m3/min
|
kW/m3/min
|
kW/m3/min
|
%
|
||||||
|
功率段
|
段号
|
0.7MPa
|
0.8MPa
|
0.7MPa
|
0.8MPa
|
0.7MPa
|
0.8MPa
|
0.7MPa
|
0.8MPa
|
|
2.2-5.5kW
|
0
|
无
|
无
|
7.7
|
8.2
|
||||
|
7.5-11kW
|
1
|
7.2
|
7.7
|
7.5
|
8.0
|
0.3
|
0.3
|
4.17
|
3.90
|
|
15-18.5kW
|
2
|
6.8
|
7.3
|
7.2
|
7.7
|
0.4
|
0.4
|
5.88
|
5.48
|
|
22-45kW
|
3
|
6.6
|
7.1
|
7.0
|
7.5
|
0.4
|
0.4
|
6.06
|
5.63
|
|
55-90kW
|
4
|
6.4
|
6.9
|
6.7
|
7.2
|
0.3
|
0.3
|
4.69
|
4.35
|
|
110-160kW
|
5
|
6.2
|
6.7
|
6.5
|
7.0
|
0.3
|
0.3
|
4.84
|
4.48
|
|
200-315kW
|
6
|
5.8
|
6.4
|
6.1
|
6.7
|
0.3
|
0.3
|
5.17
|
4.69
|
|
355-630kW
|
7
|
5.5
|
6.1
|
无
|
无
|
|
|
|
|
|
平均值
|
0.333
|
0.333
|
5.13
|
4.75
|
|||||
|
|
|||||||||
|
功率段
|
段号
|
1.0MPa
|
1.25MPa
|
1.0MPa
|
1.25MPa
|
1.0MPa
|
1.25MPa
|
1.0MPa
|
1.25MPa
|
|
2.2-5.5kW
|
0
|
无
|
无
|
9.2
|
10.5
|
|
|
|
|
|
7.5-11kW
|
1
|
8.6
|
9.7
|
9.0
|
10.2
|
0.4
|
0.5
|
4.65
|
5.15
|
|
15-18.5kW
|
2
|
8.4
|
9.5
|
8.8
|
10.0
|
0.4
|
0.5
|
4.76
|
5.26
|
|
22-45kW
|
3
|
8.2
|
9.2
|
8.6
|
9.7
|
0.4
|
0.5
|
4.88
|
5.43
|
|
55-90kW
|
4
|
8.0
|
8.9
|
8.4
|
9.4
|
0.4
|
0.5
|
5.00
|
5.62
|
|
110-160kW
|
5
|
7.8
|
8.7
|
8.2
|
9.2
|
0.4
|
0.5
|
5.13
|
5.75
|
|
200-315kW
|
6
|
7.6
|
8.4
|
8.0
|
9.0
|
0.4
|
0.6
|
5.26
|
7.14
|
|
355-630kW
|
7
|
5.5
|
6.1
|
无
|
无
|
|
|
|
|
|
平均值
|
|
|
|
|
0.400
|
0.517
|
4.95
|
5.73
|
|
从表3中可以看出，标准规定值取值有如下误点：
（1）标准中风冷比功率取值没有遵循“主机比功率Nr0w大，则Nr0f大”的原则。如排压为0.7MPa、0.8MPa，功率段1（7.5-11kW）的主机比功率大，其Nr0f却取了较小值。排压为1.25MPa，功率段6（200-315kW）的主机比功率小，其Nr0f却取了最大值。
（2）排压0.7MPa时，α平均值=5.13%
排压0.8MPa时，α平均值=4.75%
排压1.0MPa时，α平均值=4.95%
排压1.25MPa时，α平均值=5.73%
α的平均值显示，风冷却比功率的取值具有随意性，无规则可循。例如“排压1.25MPa时，α平均值=5.73%，是最高值；而排压0.8MPa时，α平均值=4.75%，却是最小值”，很难从原理上得到解释。
（3）比功率取值的精度（小数点的位数）低，不利于比功率取值的描述。
5结语
将JB/T6430-2002的比功率规定值绘制成曲线，用来直观地表述规定值的变化趋势；将标准中的水冷比功率（等同主机比功率）深化到绝热效率进行分析，从绝热效率反推出主机比功率取值的不合理内容；将风冷却比功率展开进行分析，提出风冷却比功率取值的异议点。提出规定值取值的异议，是期望标准规定值的取值向更合理的方向进步，期望完善标准规范，促进螺杆空压机产品向节能产品方向发展，节能减排，保护地球。
参考文献：
【1】续魁昌.风机手册【M】.北京，机械工业出版社，1999.
【2】邢子文.螺杆压缩机理论、设计及应用【M】.北京，机械工业出版社，2000.
【3】郁永章，等.容积式压缩机技术手册【M】.北京，机械工业出版社，2000.
【4】钱颂文.换热器设计手册【M】.北京，化学工业出版社，2002.
【5】JB/T 6430-2002，一般用喷油螺杆空气压缩机【S】.
【6】JB/T53056-1999，一般用喷油螺杆空气压缩机产品质量分等【S】.
